遠(yuǎn)程無(wú)線電單元（RRU）是蜂窩電信系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)組件。通常安裝在塔上，它們由位于塔附近地面上的封閉掩體內(nèi)的電子設(shè)備控制。太陽(yáng)能是RRU和整個(gè)塔樓相關(guān)電子設(shè)備的理想備用電源，包括將塔架連接到企業(yè)服務(wù)器的IT設(shè)備。

Solar提供優(yōu)質(zhì)，低成本的備用能源，但它也帶來(lái)了一些有趣的工程挑戰(zhàn)。例如，塔式電子設(shè)備需要具有長(zhǎng)而不間斷的占空比，并且它們?cè)陬l率，電壓波動(dòng)和功率因數(shù)方面需要高質(zhì)量的功率。

圖1顯示了為蜂窩塔實(shí)施太陽(yáng)能備用系統(tǒng)的兩種選擇。該系統(tǒng)的光伏段可以是相當(dāng)傳統(tǒng)的，并且在右側(cè)顯示非常少的細(xì)節(jié)。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：監(jiān)控存儲(chǔ)電源的電池組，以及選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)以將電池組的狀態(tài)傳達(dá)給本地服務(wù)器。

圖1中兩種設(shè)計(jì)的區(qū)別在于，圖中下半部分的選項(xiàng)使用兩個(gè)芯片（低功耗MCU和RF收發(fā)器）進(jìn)行通信，而不是單個(gè)片上系統(tǒng)集成了兩個(gè)功能以及ADC模塊和RF收發(fā)器，如圖的上半部分所示。

圖1：監(jiān)控電池狀態(tài)是必要的太陽(yáng)能備用電源（德州儀器公司提供）。

雖然更高度集成的解決方案似乎是顯而易見(jiàn)的選擇，但有些情況下雙芯片解決方案可能更優(yōu)越。例如，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能擁有希望重復(fù)使用的MCU代碼，但代碼無(wú)法輕松移植到MCU/RF芯片。功率效率是另一個(gè)例子。無(wú)線電功能消耗的能量最多，應(yīng)盡可能進(jìn)入低功耗模式。但是如果MCU被其他應(yīng)用程序共享 - 通常就是這種情況 - 那么頻繁關(guān)閉和打開(kāi)SoC可能是不切實(shí)際的。

由于電池備份系統(tǒng)與電信設(shè)備并聯(lián)，因此它們始終在線。在正常情況下，商用AC電源將電能作為經(jīng)調(diào)節(jié)的DC電力供應(yīng)給電信和服務(wù)器設(shè)備。在待機(jī)狀態(tài)下，電池系統(tǒng)不會(huì)釋放直流能量，但它會(huì)對(duì)整流器輸出進(jìn)行濾波，并通過(guò)消耗極少量的涓流充電直流電流使其自身保持在完全充電狀態(tài)。

構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)的電池需要持續(xù)監(jiān)控，因?yàn)楂@取有關(guān)問(wèn)題的準(zhǔn)確信息以便正確診斷和修復(fù)是非常重要的。鉛酸電池非常堅(jiān)固，可能不需要溫度監(jiān)測(cè)，但仍需要檢查電池組的電壓和電位狀況。

大多數(shù)電信備用電源系統(tǒng)使用鉛酸電池，這種電池價(jià)格低廉，可在極端溫度條件下正常運(yùn)行。然而，鉛酸體系體積龐大，并且具有相對(duì)低的能量密度（即，可能需要非常大的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)行時(shí)間）。今天的一些裝置正在“升級(jí)”到鋰離子電池組，因?yàn)樗鼈兙哂懈叩娜萘亢透〉某叽?。然而，作為其更高性能的折衷，鋰離子電池需要專(zhuān)用的電池監(jiān)控電路。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在可以從多個(gè)來(lái)源獲得這些電路。與先前類(lèi)型的鋰離子系統(tǒng)相比，磷酸鐵鋰（LiFePO 4）電池具有改善的溫度性能，并且適用于高放電率應(yīng)用。

使用有線媒體從遠(yuǎn)程位置監(jiān)控電池組是一項(xiàng)繁瑣且昂貴的任務(wù)。連接不匹配和實(shí)施成本使該解決方案成為無(wú)線通信替代的簡(jiǎn)單目標(biāo)。例如，無(wú)線解決方案提供了極大的靈活性，并且通常更便宜。

電池監(jiān)控

為了最大限度地減少埋地電纜的腐蝕，電池塔（通常是電信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備）中的設(shè)備在相對(duì)于地面負(fù)電壓的情況下運(yùn)行。電信公司通常使用-48伏特。電池組是專(zhuān)門(mén)為滿足工業(yè)要求而制造的，雖然有許多配置可供選擇，但最常見(jiàn)的兩種是四個(gè)12伏電池或24個(gè)兩伏串聯(lián)電池，以提供所需的-48伏電壓。

構(gòu)建一個(gè)能夠測(cè)量和數(shù)字化單個(gè)電池狀態(tài)并估算組合電池最大電壓電位的監(jiān)控系統(tǒng)并非易事。半導(dǎo)體公司可以獲得幾種解決方案，并且在許多情況下，相同的IC可以設(shè)計(jì)成鉛酸或鋰基電池系統(tǒng)。例如，德州儀器（TI）提供BQ34z100PWR和BQ2060A-E619DBQR，而凌力爾特公司（Linear Technology）則提供LTC6803IG-1＃PBF多節(jié)電池組監(jiān)視器。 LTC6803設(shè)計(jì)用于測(cè)量60伏以上的總電位，并可承受75伏的浪涌。它可以與鋰電池以及傳統(tǒng)的-48伏鉛酸電池組一起使用。理想情況下，應(yīng)通過(guò)獨(dú)立于電池和任何IT設(shè)備之間相對(duì)接地的電路來(lái)監(jiān)控電池，這使得電流隔離成為可能。

雖然單個(gè)LTC6803輸入通道的ADC范圍限制在5.37伏，但它仍可用于監(jiān)測(cè)12伏鉛酸電池，方法是將每個(gè)12伏電池電位分散到三個(gè)通道。然后通過(guò)添加這三個(gè)輸入通道讀數(shù)來(lái)獲取每個(gè)電池電位。通過(guò)將所有DCC配置位設(shè)置為1來(lái)重新利用單元平衡控制以保持分壓器被激活。這導(dǎo)致每個(gè)通道轉(zhuǎn)換4伏標(biāo)稱(chēng)電位。圖2顯示了四個(gè)分頻器部分之一的簡(jiǎn)化等效電路。

圖2：每個(gè)12伏電池測(cè)量的分壓器結(jié)構(gòu)（由Linear Technology提供）。

旁路電容（4.7μF）在小ADC采樣電流流動(dòng)時(shí)保持中間電壓，而100Ω串聯(lián)電阻和10μH電感提供熱插入浪涌限制。當(dāng)通信停止且LTC6803超時(shí)或設(shè)置為待機(jī)模式時(shí)，平衡放電開(kāi)關(guān)關(guān)閉，分頻器有效斷開(kāi)，因此不會(huì)發(fā)生明顯的電池消耗。

必須包含SPI數(shù)據(jù)隔離器，以適應(yīng)處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的微處理器的任何接地差分。如果需要，數(shù)據(jù)隔離器還提供隔離的直流電源軌，可提供數(shù)百毫瓦的電壓。

總之，12伏單位是通過(guò)添加三個(gè)輸入通道的讀數(shù)來(lái)測(cè)量的，這三個(gè)輸入通道的硬件配置為將12伏電壓分成子測(cè)量值，這樣就可以為每個(gè)電池實(shí)現(xiàn)16.1伏的有效滿量程范圍。從處理器隔離數(shù)據(jù)采集功能對(duì)于消除接地錯(cuò)誤和安全隱患非常重要，并由SPI隔離器模塊提供。

無(wú)線通信

除電池管理外，系統(tǒng)中的另一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是將電池狀態(tài)傳送到服務(wù)器（通過(guò)MCU）的通信鏈路，管理傳統(tǒng)公用事業(yè)交流電源和備用電源之間的接口，甚至可能在其網(wǎng)絡(luò)中包括溫度傳感器。在圖3所示的解決方案中，RF和MCU功能集成在單個(gè)芯片中，例如Texas Instruments的CC2510F32RSPR SoC?；蛘?，對(duì)于某些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，雙芯片解決方案同樣有效，如前所述。使用TI器件的簡(jiǎn)化框圖如圖3所示。

圖3：溫度傳感是TI電池監(jiān)測(cè)解決方案的一部分（德州儀器公司提供）。

德州儀器（TI）的LDO線性穩(wěn)壓器TPS78223DDCT（位于圖3頂部）與電池監(jiān)控芯片連接。右側(cè)的接口塊與位于塔式避難所中的服務(wù)器進(jìn)行無(wú)線通信。 （為完整起見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在無(wú)線接口模塊中注明。）SimpliciTI?協(xié)議是針對(duì)小型RF網(wǎng)絡(luò)的免版稅，低功率射頻（RF）協(xié)議。 SimpliciTI專(zhuān)為簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，具有最低的微控制器資源要求，可在TI的MSP430?MCU和多個(gè)RF收發(fā)器上開(kāi)箱即用。它對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特別有用，例如使用電池運(yùn)行并需要較長(zhǎng)電池壽命的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

除了從電池監(jiān)控芯片接收電壓數(shù)據(jù)外，MCU還處理來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器（通常是溫度傳感器）的數(shù)據(jù)，這些傳感器監(jiān)控電池組周?chē)沫h(huán)境條件。這些傳感器是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一部分，包括連接到電池組的接入點(diǎn) - 甚至是太陽(yáng)能電池板本身。當(dāng)使用簡(jiǎn)單的熱敏電阻進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)（圖3左側(cè)），信號(hào)需要使用德州儀器的OPA369AIDCKR等運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。更復(fù)雜的應(yīng)用可能使用集成電路溫度傳感器，如TI的TMP102AIDRLT。將這種類(lèi)型的傳感器與MCU連接將成為本文下一部分的主題。

一旦來(lái)自太陽(yáng)能備用電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被服務(wù)器接收和處理，它就會(huì)通過(guò)WMAX回程鏈路中繼到企業(yè)服務(wù)器。

如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇雙芯片解決方案，關(guān)鍵組件可能是TI的MSP430F2274 MCU和CC2500RTKR 2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器。德州儀器（TI）提供能量收集開(kāi)發(fā)工具eZ430-RF2500-SEH，該工具基于這兩個(gè)芯片和太陽(yáng)能收集器模塊。該模塊包括一個(gè)高效太陽(yáng)能（2.25 x 2.25英寸）面板，優(yōu)化用于在低強(qiáng)度熒光燈下在室內(nèi)操作，提供足夠的電力來(lái)運(yùn)行無(wú)線傳感器應(yīng)用而無(wú)需額外的電池。輸入也可用于外部能量采集器，例如熱能，壓電或其他太陽(yáng)能電池板。對(duì)于選擇單芯片（MCU/RF）解決方案的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，德州儀器提供類(lèi)似的套件，即C2000開(kāi)發(fā)套件ISO SOLAR MPPT HV。

溫度傳感

電池組的溫度傳感對(duì)鋰基備用電源系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)檫^(guò)熱可能會(huì)導(dǎo)致熱失控甚至電池破裂。鉛酸電池更加堅(jiān)固，但仍然建議在電池塔應(yīng)用中使用廉價(jià)的基于熱敏電阻的溫度監(jiān)測(cè)。

當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)到位時(shí)，最好遠(yuǎn)程執(zhí)行這些測(cè)量。有許多解決方案，包括使用分立晶體管，熱敏電阻和SoC。當(dāng)溫度至關(guān)重要時(shí)，首選SoC溶液。例如，德州儀器（TI）的TMP102與其MSP430 MCU結(jié)合使用后，將成為全功能溫度測(cè)量系統(tǒng)。電源由三伏CR-2032鋰紐扣電池供電，額定工作時(shí)間至少為220毫安?？傁到y(tǒng)平均電流消耗為2.45μA，一個(gè)完整的測(cè)量和顯示平臺(tái)能夠從單個(gè)電池連續(xù)運(yùn)行超過(guò)10年成為現(xiàn)實(shí)。該計(jì)算如下式所示：

220 mAh/2.45μA= 89，796小時(shí)= 10。25年

為了實(shí)現(xiàn)較低的平均電流，必須注意開(kāi)發(fā)具有最小活動(dòng)次數(shù)的MCU軟件時(shí)鐘周期。 MSP430 DCO和CPU從低功耗睡眠模式的快速6μs喚醒時(shí)間以及TMP102的單次操作提供了創(chuàng)建此類(lèi)軟件流的靈活性。圖4顯示了MSP430通過(guò)完整轉(zhuǎn)換周期的軟件流程。

圖4：快速喚醒MCU對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要（德州儀器提供）。

通過(guò)將MSP430的有效時(shí)間最小化到每個(gè)轉(zhuǎn)換周期1.6 ms，可以控制總系統(tǒng)功耗。從LPM3快速喚醒CPU和DCO允許MSP430執(zhí)行所需任務(wù)并盡快重新進(jìn)入低功耗模式。然后CPU等待下一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生的中斷并重復(fù)該循環(huán)。德州儀器（TI）進(jìn)行了額外的代碼優(yōu)化，例如減少子程序調(diào)用的直線技術(shù)。為了清楚軟件流程，子程序從主循環(huán)中分出。

結(jié)論

通過(guò)使用太陽(yáng)能作為備用電源，蜂窩塔安裝可以實(shí)現(xiàn)成本和運(yùn)營(yíng)效益，但必須監(jiān)控存儲(chǔ)太陽(yáng)能的電池的電壓和溫度。簡(jiǎn)單，廉價(jià)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)非常適用于此目的，還可用于將感測(cè)信息傳送到本地服務(wù)器，以便分析和重新傳輸?shù)狡髽I(yè)服務(wù)器。半導(dǎo)體公司使設(shè)計(jì)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)變得更加容易，現(xiàn)在提供直接針對(duì)該應(yīng)用的解決方案。